Что такое электродвижущая сила ЭДС

Электродвижущая сила или ЭДС является одним из ключевых понятий в физике и в частности в электротехнике. Она определяет направление и интенсивность движениятока в цепи. ЭДС возникает, как результат разности потенциалов между двумя точками электроцепи и может присутствовать как в источнике энергии, так и в самой цепи. Если бы не было такого понятия, как электродвижущая сила, то в 1831 году М. Фарадей не открыл бы электромагнитную индукцию, на которой базируется вся электроэнергетика.

Понятие об ЭДС

Природа ЭДС

Чтобы понять, что такое ЭДС и в чем ее отличие от напряжения, необходимо рассмотреть физический смысл данного явления, опираясь на электрический ток, протекающий в цепи.

Для примера возьмём два предварительно наэлектризованных электрометра. Один из них имеет избыток положительных электрозарядов, а другой — избыток отрицательных. Поскольку заряды присутствуют на электрометрах, вокруг них, естественно, есть электрополе, без которого не сможет возникнуть упорядоченное движение заряженных частиц.

Два электрометра

Применим одно из условий существования электротока, а именно воспользуемся проводником со свободными носителями заряда. Он должен быть сделан из вещества, не являющегося диэлектриком и свободно пропускающего ток, например, металлический проводник. Однако упорядоченного движения частиц в нём нет. Чтобы создать это движение, необходимо применить силу, которая будет направлена в одну сторону. В качестве силы у нас выступает электрическое поле. Если внести наш проводник в зону действия поля, электрометры разрядятся. Это означает, что началось перемещение электрозарядов. Отрицательные частицы, то есть электроны, будут стремиться к положительным (протонам). Электрический ток, в свою очередь, будет идти в противоположную сторону.

Два электрометра с использованием проводника

Однако, протекающий ток непостоянен. Ведь все отрицательные частицы перейдут на противоположную положительную сторону. Следовательно, два электрометра станут электрически нейтральными. Чтобы сделать ток постоянным, понадобится поддержка электрического поля посредством циркуляции. Этого можно добиться с помощью источника тока и замкнутого контура.

Схема замкнутого контура

Любая сила совершает работу. В случае циркуляции тока работу совершают посторонние силы Fст (любые, кроме кулоновских). Обозначается работа сторонних сил как Aст. Она прямо пропорциональна заряду q, переносимого по цепи. Выражение А_ст/q — это энергетическая характеристика ИТ, она называется электродвижущей силой. Для нее принято обозначение греческой буквой ε (эпсилон). Тогда формула ЭДС будет такой:

Выражение для ЭДС

На основании выше сказанного можно сделать вывод, что ЭДС источника тока — это физическая величина, равная отношению отдельной работы сторонних сил Aст в замкнутом контуре к величине перенесённого единичного заряда q. Иными словами определение ЭДС может быть сформулировано так: электродвижущая сила — это сила, посредством которой осуществляется передвижение заряженных частиц в контуре/цепи.

Определение ЭДС

В чём измеряется

Как известно, единица измерения силы — это ньютон. Но, несмотря на то, что такое явление, как электродвижущая сила ИТ сама по себе является силой, посредством которой электрические заряды перемещаются по контуру. ЭДС измеряется в вольтах, как и напряжение:

А_ст /q = Дж/Кл = В

Но следует знать, что ЭДС сама по себе не является истинным напряжением. Для примера возьмём насос, который подключен к замкнутому трубопроводу. На одной стороне у нас давление P1, а на второй — P2. По аналогии с электроцепью в трубопроводе будет создаваться давление, за счёт которого жидкость в трубопроводе циркулирует. Так вот, P1 и P2 создаст разность давления, посредством разности движения жидкости: P1 > P2. Без этой разности не было бы циркуляции в трубопроводе.

Пример с насосом

Подобным образом функционирует и электрическая цепь, к которой подключена, допустим, лампочка. В этом примере заряды заставляет двигаться электрическое поле (сила) или практически источник ЭДС. За счёт этого создаётся разность потенциалов φ₁ > φ_2, что и есть напряжение. Это та самая разность, что была представлена в примере с насосом.

Пример с электрической цепью

Но раньше было сказано, что ЭДС источника тока равна отношению A_ст к q, а работа совершается в замкнутой электрической цепи. И это справедливое замечание. Ведь такое явление, как электродвижущая сила характерно для любого источника тока, даже если через него не протекает ток. И этому есть простое объяснение. Поскольку разные источники тока имеют разную ЭДС, то определить ее можно с помощью такой формулы:

Формула ЭДС

Это выражение является общим и наиболее достоверным для ЭДС. Ведь в любом случае этот параметр будет зависеть от напряжённости поля сторонних сил, которая выражается через силу движения зарядов. Поэтому ЭДС правильнее было бы называть напряжением сторонних ЭДС источника тока, поскольку ее действие происходит в самом источнике.

В качестве источника электромагнитной энергии выступают генераторы. Они преобразуют механическую, тепловую, химическую энергию в электрическую. При прохождении тока через обмотки ротора генератора возникает магнитное поле, которое наводит ЭДС индукции в обмотках статора.

Если же рассматривать электродвигатели, то здесь ЭДС принимает новое определение — встречная ЭДС. Подобно процессу в генераторе, при работе якоря двигателя также наводится ЭДС индукции в обмотке.

Как измерить ЭДС

Измерение ЭДС осуществляется с помощью вольтметра с использованием напряжения, которое есть на ИТ. Обязательное условие — отключенная нагрузка, чтобы не было перепада напряжения на внутреннем сопротивлении.

Чтобы узнать, чему равно значение определяемой ЭДС, следует воспользоваться формулой:

Определение ЭДС при измерении

Виды ЭДС

Если рассматривать виды электродвижущей силы, то они тесно связаны с источником питания, а именно к какому типу он относится:

• Если используется такой источник ЭДС, как генератор электростанции, двигатель в машине, то ЭДС будет электромагнитного характера.
• При использовании аккумуляторов, батареек возникает ЭДС электрохимического характера.
• В солнечных батареях, при облучении видимым светом появляется фотоэлектрическая ЭДС индукции.

В чём смысл ЭДС

Любой источник ЭДС предназначен создавать разность потенциалов, способную развивать мощность в 1 Вт при силе тока в 1 А. Следует отметить такие свойства электродвижущей силы:

• ЭДС — это напряжение на ИТ, но только при отсутствии нагрузки.
• Существование ЭДС невозможно без сторонних сил.
• Электрополе сторонних сил создаётся за счёт включенных источников ЭДС и способствует перемещению зарядов.
• Если у ЭДС такое же направление, что и у тока, то она принимает положительный знак.

ЭДС отличается от напряжения тем, что измеряется без нагрузки, а напряжение с нагрузкой.

В целом, концепция ЭДС играет важную роль в электротехнике и электроэнергетике. Она позволяет описывать и анализировать поведение источников тока и электроцепей, а также применять их для практических целей. ЭДС может быть как полезной, так и вредной, в зависимости от того, как она используется и контролируется.

Видео по теме